Kvantsprång: IBM-forskare lägger grunden för en praktisk, skalbar kvantdator

Anonim

Kvantsprång: IBM-forskare lägger grunden för en praktisk, skalbar kvantdator

Quantum Computing

Dario Borghino

30 april 2015

2 bilder

Den första arbetskvantumdatorn kan nu vara mycket närmare verkligheten tack vare två viktiga framsteg från forskare på IBM (Foto: IBM)

IBM-forskare har avslöjat två viktiga framsteg mot skapandet av en praktisk kvantdator: ett effektivt sätt att upptäcka och korrigera kvantfel och utformningen av ett kiselchip som kan skala upp för att rymma ett stort antal inkopplade kvantbitar.

Kraften för kvantberäkning

Transistorer i klassiska datorer kan bara krympa hittills. Den nuvarande generationen av transistorer är 14 nanometer stor, vilket innebär att endast cirka trettio kiselatomer passar mellan transistorns "source " och "drain" de två ändarna av den elektroniska omkopplaren. När det ena numret blir reducerat till endast omkring fyra eller fem kiselatomer, kommer osäkerheten som orsakas av kvantmekaniska effekter att göra det omöjligt för en sådan omkopplare att fungera ordentligt. Elektronerna kommer spontant och slumpmässigt att hoppa från ena änden på det oförutsägbara sättet, vilket skapar en ström även när strömbrytaren är avstängd.

Tanken bakom kvantdatorer - först utvecklad av Richard Feynmann 1981 - är att utnyttja kvanteffekter snarare än att se dem som ett hinder. Detta görs inte genom att bygga en mer avancerad transistor, utan istället genom att utnyttja den mycket större potentialen för kvantinformation.

I den konstiga och underbara världen av kvantkalkyler kan en kvantbit eller kvbit antas två värden (0 och 1) samtidigt. När två eller flera qubits är länkade i ett speciellt "intrasslat " tillstånd utsträcker denna egenskap och kraften hos qubits växer exponentiellt. Tio fullt intrasslade qubits skulle kunna lagra så mycket information som 1024 klassiska bitar; 33 qubits kan lagra en gigabyte; och 300 fullt intrasslade qubits skulle lagra så många klassiska bitar som det finns atomer i universum.

Avgörande, även om informationen som qubits innehåller växer exponentiellt, kan vi fortfarande manipulera det med ett antal operationer som är en polynomial funktion av antalet qubits. Med andra ord - exponentiella hastigheter, i en mycket bokstavlig mening.

En kvantdator skulle inte vara universellt snabbare för bara någon algoritm, men den skulle visa exponentiella hastigheter för att söka och manipulera stora data, utföra datakryptografi, analysera proteinvikning för att designa bättre droger, simulera det tidiga universum och ge mycket mer exakt väderprognos, bland många andra saker.

Qubits är fina

Vår framgång med att skapa en praktisk kvantdator kommer i stor utsträckning att bero på vår förmåga att hålla alla qubits i det mycket känsliga sammanfogade tillståndet och korrigera misstag på ett effektivt och tillförlitligt sätt.

Data som laddas ner från internet eller lagras i våra hårddiskar går igenom algoritmer som upptäcker och korrigerar så kallade "bit flips, " som händer när en bit felaktigt ändrar sitt värde från 1 till 0 eller vice versa.

Fel händer mycket sällan i klassiska beräkningar, men de är kärnproblem för en kvantdator. De intrasslade qubitsna är mycket mer känsliga och kan drabbas hårt av små förändringar i temperatur och elektromagnetisk strålning. Kvantbitar är föremål för bitflipar, men de lägger till den här dimensionen av möjliga fel, som kallas en "fasflip ", vilket påverkar hur staterna är intrasslade. För att göra sakerna ännu värre kollapsar akten att läsa en qubit för att korrigera den sin klyftstatus i antingen 0 eller 1.

Hittills har forskare bara kunnat ta itu med antingen bit flips eller fas flips, men aldrig båda samtidigt.

Korrigera misstag

I vad som kan vara ett väldigt viktigt framsteg för quantum computing världen har IBM forskare nu hittat ett sätt att upptäcka båda typerna av kvantfel samtidigt, och har visat sitt förskott på ett faktiskt fyra-qubit-chip som de har skapat.

Kretskortet är baserat på en fyrkantig gitter av fyra superledande qubits på ett chip som är ungefär en kvart i tum (6 mm) i storlek. Qubits delas upp i två databaser, som bär den faktiska informationen, och två så kallade "syndrom qubits, " som är oberoende (inte inkopplade) och utför felkontrollen på de två dataskvitten.

Det finns en mycket bra anledning att qubits läggs upp i en matris. För att qubitsna ska läsas utan att förstöras, antog forskarna en felkorrigeringsteknik som sprider kvantuminformation över flera qubits, men - avgörande - endast till deras närmaste granne.

Tidigare felkorrigeringstekniker lagrade qubits i en array, och kunde därför bara korrigera för antingen bitflip eller fasflip, men inte båda. Matrislayouten gör att qubitsna kan ha fler grannar, vilket betyder att båda typerna av felkorrigering kan äga rum samtidigt.

Vad kommer härnäst?

Kvadratchipet konstruerades och tillverkades med standard kiselfabrikationstekniker, och forskarna säger att de förväntar sig att de kommer att kunna visa effektiv felkorrigering även i en uppskalad version av chipet som hanterar fler qubits.

Om detta är sant kan det huvudsakliga kvarvarande hindret för en praktisk kvantdator vara att på ett tillförlitligt sätt producera superledande bitar som har låga felfel för att IBM-tekniken ska kunna vara effektiv.

Förskottet beskrivs i dagens utgåva av den vetenskapliga tidskriften Nature Communications .

Källa: IBM

Den första arbetskvantumdatorn kan nu vara mycket närmare verkligheten tack vare två viktiga framsteg från forskare på IBM (Foto: IBM)

Chipet är tillverkat av kisel, tillverkat med standard industriella metoder och skalbar (Foto: IBM)